Tekst źródłowy strony Z-skan

'''Z-skan''' (ang. ''z-scan'') – zaproponowana przez M. Sheikg Bahae<ref>{{Cytuj |autor = E. W. Van Stryland, A. A. Said, M. Sheik-bahae |tytuł = High-sensitivity, single-beam n2 measurements |czasopismo = Optics Letters |data = 1989-09-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 1539-4794 |wolumin = 14 |numer = 17 |s = 955–957 |doi = 10.1364/OL.14.000955 |url = https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-14-17-955 |język = en}}</ref>, jako jedna z metod pomiarowych wykorzystywanych w [[Optyka nieliniowa|optyce nieliniowej]], służy do eksperymentalnego wyznaczenia nieliniowego współczynnika załamania światła n<sub>2</sub> ([[Zjawiska Kerra|nieliniowość Kerra]]), jak i wartości nieliniowego współczynnika [[Mikroskop dwufotonowy|absorpcji dwu-fotonowej]]. Ze względu na prostotę i wysoką dokładność<ref>{{Cytuj |autor = M. Sheik-Bahae, A. A. Said, T.- Wei, D. J. Hagan, E. W. Van Stryland |tytuł = Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam |czasopismo = IEEE Journal of Quantum Electronics |data = 1990-4 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0018-9197 |wolumin = 26 |numer = 4 |s = 760–769 |doi = 10.1109/3.53394 |url = https://ieeexplore.ieee.org/document/53394/}}</ref> metoda ta okazała się być jedną z najwygodniejszych technik pomiarowych w optyce nieliniowej.

Metoda pozwala na przeprowadzenie jednoczesnych pomiarów różnych nieliniowych parametrów optycznych za pomocą jednego układu pomiarowego, oraz znajduje zastosowanie do oceny jakość wiązki laserowej poprzez wyznaczenie jej charakterystyki ([[Rozkład normalny|rozkład Gaussa]])<ref>{{Cytuj |autor = S. J. Lee, Y. L. Lee, S. Y. Woo, W. Hwang, J. H. Lee |tytuł = Simple method for determining Gaussian beam waist using lens Z-scan |data = 2003-12 |data dostępu = 2019-01-23 |wolumin = 1 |s = 246 Vol.1– |opublikowany = CLEO/Pacific Rim 2003. The 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (IEEE Cat. No.03TH8671) |doi = 10.1109/CLEOPR.2003.1274703 |url = https://ieeexplore.ieee.org/document/1274703/}}</ref>. Pomimo prostej budowy układu optycznego z-skan uzyskanie miarodajnych wyników pomiaru wiąże się z kompleksową analizą danych (metodą [[Metoda eliminacji Gaussa|eliminacji Gaussa]], lub poprzez wykorzystanie zasady [[Dyfrakcja|dyfrakcji Fresnela]]<ref name="Chapple">{{Cytuj |autor = P. B. Chapple, J. Staromlynska, J. A. Hermann, T. J. Mckay, R. G. Mcduff |tytuł = Single-Beam Z-Scan: Measurement Techniques and Analysis |czasopismo = Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials |data = 1997-09-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0218-8635 |wolumin = 06 |numer = 03 |s = 251–293 |doi = 10.1142/S0218863597000204}}</ref>, w przypadku analizy numerycznej). Należy uwzględnić wiele czynników wpływających na wyniki z-skanów zarówno z eksperymentalnego, jak i teoretycznego punktu widzenia<ref name="Chapple"/>.

== Aparatura z-skan ==
[[Plik:Schematz-skan.png|mały|Rys.1. Schemat układu optycznego do pomiarów nieliniowego współczynnika załamania światła oraz współczynnika absorpcji dwu-fotonowej metodą z-skan<ref>{{Cytuj |autor = Ullrich Scherf, Bing Hsieh, Luping Yu, Zhenan Bao, Barry Luther-Davies |tytuł = Femtosecond Z-scan and degenerate four-wave mixing measurements of real and imaginary parts of the third-order nonlinearity of soluble conjugated polymers |czasopismo = JOSA B |data = 1998-02-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 1520-8540 |wolumin = 15 |numer = 2 |s = 817–825 |doi = 10.1364/JOSAB.15.000817 |url = https://www.osapublishing.org/josab/abstract.cfm?uri=josab-15-2-817 |język = en}}</ref>.]]
W układzie z-skan spolaryzowana, gaussowska wiązka laserowa propagowana jest w kierunku osi z, a następnie ogniskowana przez soczewkę. Pada ona na próbkę, która znajduje się na przesuwającym się wzdłuż ścieżki propagacji wiązki laserowej podium (rys. 1). Poprzez oddziaływanie wiązki laserowej na nieliniowy ośrodek indukowana jest zmiana współczynnika załamania światła<ref>{{Cytuj |autor = Li Jiang, Fushen Lu, Yachen Gao, Yinglin Song, Huibiao Liu |tytuł = Nonlinear optical properties of an ultrathin film containing porphyrin and poly (phenylenevinylene) units |czasopismo = Thin Solid Films |data = 2006-02-21 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0040-6090 |wolumin = 496 |numer = 2 |s = 311–316 |doi = 10.1016/j.tsf.2005.08.363 |url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609005015737}}</ref>, co wiąże się z ogniskowaniem lub rozogniskowaniem padającej na próbkę wiązki (rys. 2). Ze względu na wpływ nieliniowej [[Absorpcja (optyka)|absorpcji]] na pomiar nieliniowego [[Współczynnik załamania|współczynnika załamania światła]] w układzie z-skan stosuje się [[fotodetektor]] bliskiego i dalekiego pola do monitorowania transmisji wiązki laserowej przez próbkę. Poprzez analizę krzywych transmitancji w zależności od położenia próbki w osi z możliwe jest wyznaczenie znaku, jak i wartości nieliniowego współczynnika załamania światła oraz wartość współczynnika absorpcji dwu-fotonowej.

Układ pomiarowy z-skan można podzielić na dwa rodzaje<ref>{{Cytuj |autor = Cheng-Bao Yao, Ke-Xin Zhang, Xing Wen |tytuł = Focus introduction: Z-scan technique |czasopismo = Optik |data = 2017-07-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0030-4026 |wolumin = 140 |s = 680–682 |doi = 10.1016/j.ijleo.2017.05.006 |url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030402617305260}}</ref>:
# z tzw. otwartą przesłoną (open aperture – rys. 1, detektor 1)
# z zamkniętą przesłoną (closed aperture – rys. 1, detektor 2)
Podział ten, lub stosowanie jednocześnie dwóch układów jest konieczne ze względu na korelacje nieliniowego współczynnika załamania ze współczynnikiem nieliniowej absorpcji. W przypadku układu bez przesłony, pomiar transmisji w funkcji położenia próbki pozwala uzyskać informację o absorpcji nieliniowej. Zastosowanie układu z przysłoną pozwala na oszacowanie nieliniowego współczynnika załamania (na skutek analizy zjawiska soczewkowania przez nieliniowe medium ze zmienną ogniskową, w funkcji położenia w osi z).
[[Plik:Ogniskorozognisko.png|mały|Rys. 2. Efekt samoogniskowania i samorozogniskowania w ośrodku nieliniowym dla wiązki gaussowskiej. A) Samoogniskowanie (n2 > 0) – ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, B) Samorozogniskowanie (n2 < 0) – ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca<ref>{{Cytuj |autor = Uniwersytet Mikołaja Kopernika (Toruń). Wydawnictwo Naukowe. |tytuł = Charakterystyka materiałów metodami optykiu nieliniowej. Wybrane zagadnienia-efekty trzeciorzędowe |data = 2013 |data dostępu = 2019-01-23 |isbn = 9788323129387 |miejsce = Toruń |wydawca = Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika |oclc = 848253137}}</ref>.]]

== Z-skan z zamkniętą przesłoną ==
W układzie z-skan tego typu (closed aperture<ref>{{Cytuj |autor = M. Veeramohan Rao, V. V. Ravi Kanth Kumar, Nk Shihab, D. Narayana Rao |tytuł = Z-scan studies of Barium Bismuth Borate glasses |czasopismo = Optical Materials |data = 2018-10-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0925-3467 |wolumin = 84 |s = 178–183 |doi = 10.1016/j.optmat.2018.06.066 |url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925346718304464}}</ref>) przed fotodetektorem umieszcza się aperturę częściowo uniemożliwiającą dostęp wiązki laserowej po przejściu przez nieliniowe medium (próbkę). Apertura powoduje, że tylko centralny obszar stożka światła dociera do detektora. Zazwyczaj wartości znormalizowanej transmitancji znajdują się w przedziale 0,1 < T < 0,5. Takie rozwiązanie sprawia, że detektor jest niezwykle czuły na wszelkie ogniskowanie lub rozogniskowanie wiązki laserowej, które może wywołać próbka.

== Z-skan z otwartą przesłoną ==
Ta metoda jest podobna do opisanej powyżej, a różnicę stanowi brak apertury ograniczającej dostęp wiązki laserowej do fotodetektora (open aperture<ref>{{Cytuj |autor = Yaochuan Wang, Yizhuo Wang, Guiqiu Wang, Dajun Liu |tytuł = Two-photon absorption cross-section results of three tri-branched derivatives: A comparison between open-aperture Z-scan and two-photon excited fluorescence method |czasopismo = Optik |data = 2018-11-01 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0030-4026 |wolumin = 172 |s = 186–190 |doi = 10.1016/j.ijleo.2018.07.020 |url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030402618309768}}</ref>). Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest wyznaczenie współczynnika absorpcji dwu-fotonowej – β. Współczynnik ten można wyznaczyć na podstawie pomiaru transmitancji w zależności od położenia próbki (oś z).

Absorpcja może być opisana wzorem:

<math>\alpha=\alpha_0+\beta I</math>

Gdzie:

α<sub>o</sub> – Liniowy współczynnik absorpcji

I – Intensywność wiązki

== Pomiar z-scan ==
[[Plik:Transmitancezscan.png|mały|Rys. 3. Schemat procesu pomiaru próbki metodą z-skan (C). Przykładowe wyniki pomiaru. Zależność intensywności wiązki laserowej padającej na detektor po przejściu przez próbkę [w odniesieniu do położenia na osi x] dla medium o dodatnim nieliniowym współczynniku załamania światła (A), oraz ujemnym nieliniowym wyniku załamania światła (B)<ref>{{Cytuj |autor = Eva Ule |tytuł = Measurement of The Nonlinear Refractive Index by Z-scan Technique |data = 2015}}</ref>.]]
Pomiar zwykle rozpoczyna się z dala od płaszczyzny ogniskowej<ref>{{Cytuj |autor = R. Seema, C. S. Suchand Sandeep, Reji Philip, Nandakumar Kalarikkal |tytuł = An open aperture z-scan study of Sr2CeO4 blue phosphor |czasopismo = Journal of Alloys and Compounds |data = 2011-08-25 |data dostępu = 2019-01-23 |issn = 0925-8388 |wolumin = 509 |numer = 34 |s = 8573–8576 |doi = 10.1016/j.jallcom.2011.06.019 |url = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838811012813}}</ref>, gdzie transmitancja jest relatywnie stała (rys. 3C). Następnie próbka przesuwna się w stronę ogniskowej soczewki w osi z. Jeżeli materiał charakteryzuje dodatni nieliniowy współczynnik załamania światła (n<sub>2</sub> > 0), to zarejestrowana transmitancja ma przebieg jak na rys. 3A. W przypadku ujemnego nieliniowego współczynnika załamania światła (n<sub>2</sub> < 0) obserwuje się odwrotny przebieg (rys. 3B). Skanowanie zakańcza się, gdy odpowiedź znów jest liniowa.

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

[[Kategoria:Optyka nieliniowa]]